Pin không khí kẽm (ZAB) là một trong những công nghệ pin thế hệ tiếp theo hứa hẹn nhất do có nhiều đặc tính ưu việt. Đáng chú ý nhất, những viên pin này có cấu trúc nửa mở độc đáo, mật độ năng lượng lý thuyết đáng kể (1,086 và 1,370 Wh kg-1 khi bao gồm và không bao gồm oxy, tương ứng), điện cực mềm và chất điện phân chứa nước vốn có. Hơn nữa, trái ngược với các vật liệu khác được sử dụng trong pin, Kẽm (Zn) ít gây hại cho môi trường và phong phú hơn.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Hanyang, Hàn Quốc gần đây đã thiết kế một loại tế bào túi khí kẽm mới có thể vượt trội hơn các công nghệ pin thương mại khác. Các tế bào túi này, được trình bày trong một bài báo được xuất bản trong Năng lượng thiên nhiên, sử dụng (101) -facet đồng photphosulfat [CPS (101)] làm cực âm, chitosan-chất tế bào sinh học chống đóng băng làm chất điện phân dẫn siêu ion và Zn tạo mẫu làm cực dương.
“Các ZAB trước đây sử dụng chất điện phân lỏng (6 M KOH) đã thất bại vì động học chậm chạp cho các phản ứng khử oxy và tiến hóa (ORR / OER) và không thể đảo ngược của Zn kèm theo các phản ứng ký sinh ở nhiệt độ rộng,” Jung-Ho Lee, một trong những các nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu. “Tính năng này đã truyền cảm hứng cho chúng tôi phát triển các chất điện phân ở trạng thái rắn, chẳng hạn như cellulose sinh học được chức năng hóa, có khả năng chuyển OH– ion một cách hiệu quả mà không có phản ứng ký sinh. ”
Chất điện phân dựa trên FBN được tạo ra bởi Lee và các đồng nghiệp của anh ấy trong công trình trước đây của họ thể hiện độ dẫn ion cao 64 mS cm-1 ở nhiệt độ phong. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng nó không hoạt động ở nhiệt độ cao và hạ nhiệt độ, do các vấn đề liên quan đến sự đóng băng của nước và giãn nở thể tích.
Trong bài báo mới của họ, các nhà nghiên cứu đề xuất sử dụng chitosan-vi khuẩn-xenluloza (CBC) làm chất điện giải trạng thái rắn, trao đổi anion. Những vật liệu này về cơ bản bao gồm xenluloza sinh học và chitosan, tiếp theo là liên kết chéo của các liên kết bậc bốn 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO) và 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octan (DBO).
“Hai quy trình quan trọng mà chúng tôi sử dụng (quá trình oxy hóa TEMPO và DBO tứ hóa) đã cải thiện đáng kể các đặc tính chống đóng băng của pin, cũng như khả năng chống trương nở, khả năng tương thích với liên kết chéo và đặc tính nhận biết ion,” Lee nói. “Nước cũng tồn tại và chuyển bên trong CBC, nhưng dạng của nó là nước phân tử, không phải nước lỏng. Do đó, chúng tôi có thể có được hiệu suất pin vượt trội và độ ổn định tốt ngay cả ở -20 ° C ”.
Các chất điện phân màng dựa trên CBC do Lee và các đồng nghiệp của ông chế tạo được trao đổi ion bằng cách sử dụng hỗn hợp các dung dịch hydroxit. Do đó, chúng hiển thị độ pH thấp hơn so với các chất điện phân kiềm thông thường. CPS dạng sợi nano (101) do các nhà nghiên cứu điều chế được tổng hợp đặc biệt cho các ứng dụng tế bào túi.
Lee cho biết: “Vì tỷ lệ phân tích tối ưu của CPS (101) là C: P: S = 1: 0.5: 0.5, sự biến đổi của tỷ lệ cân bằng ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất điện hóa trong quá trình hoạt động của tế bào. “Các anion photpho và lưu huỳnh liên hợp trong không gian với sự phối trí bằng nhau (cùng số lượng liên kết Cu-S và Cu-P) với các cation đồng được bảo toàn cấu trúc bậc ngắn và dài khá ổn định trong các chu kỳ tiếp theo.”
Trong khi tế bào túi khí Zn do các nhà nghiên cứu chế tạo đang hoạt động, nếu màng FBN không thể hình thành liên pha chất điện ly rắn (SEI), thì CBC đã tạo ra một lớp SEI mạnh mẽ, dẫn đến vòng đời vượt trội. Hơn nữa, CBC đã bảo vệ bề mặt cực dương khỏi sự ăn mòn và các phản ứng phụ. Điều này có thể thúc đẩy chu kỳ dài hơn so với chu kỳ đạt được của pin có chất điện phân nước hoặc chất điện phân trạng thái rắn khác.
“Độ dẫn điện vượt trội được ghi lại ở nhiệt độ phòng (86.7 mS cm-1) là giá trị vô địch được báo cáo cho đến nay đối với chất dẫn hydroxide superion, cao gấp đôi so với A201 thương mại, ”Lee nói. “Mỏng 5 µm, 900 cm2- Màng CBCs kích thước có thể được đúc đơn giản với độ bền cơ học đặc biệt ngay cả ở nhiệt độ lạnh -20 oC trong môi trường khô ráo, trong khi FBN, A201 hoặc polysulfone dễ dàng phân hủy thành các mảnh nhỏ. "
Yêu cầu chung đối với pin thế hệ tiếp theo là mật độ năng lượng cấp gói tế bào> 300 Wh kg-1, US $ 75 kWh-1, khả năng sạc nhanh trong 15 phút (sạc ít nhất 80%) và khả năng hoạt động ở nhiều nhiệt độ. Để đáp ứng những yêu cầu này, các nhà thiết kế pin phải khắc phục một loạt hạn chế, đồng thời đảm bảo rằng pin an toàn, ổn định về mặt điện hóa / cơ học, được chế tạo bằng vật liệu có nhiều trên Trái đất và dễ tái chế, đồng thời hoạt động tốt ở nhiều nhiệt độ .
ZAB được phát triển trong quá khứ đã đạt được mật độ năng lượng rất thấp ở cấp độ tế bào, thường là <40 Wh kg pin-1 ở mật độ dòng điện thấp <1 mA cm-2 và chỉ hoạt động ở nhiệt độ phòng. Mật độ năng lượng này thấp hơn đáng kể so với mật độ được cho là thích hợp để thương mại hóa pin thế hệ tiếp theo.
Lee cho biết: “Hầu hết các tế bào Zn-air được báo cáo có khả năng chạy theo chu kỳ nông của độ sâu phóng điện 5-10% (DOD), không thể đạt được năng lượng tế bào cạnh tranh với pin Li-ion,” Lee nói. “Mặc dù một số báo cáo trước đây vẫn giữ nguyên năng lượng cơ bản cần thiết là 35 mWh cmđịa lý-2, vòng đời của chúng và DOD bị hạn chế ở mức dưới 100 chu kỳ và DOD tương ứng là 5-10%. Ít nhất 20% DOD là cần thiết để có được năng lượng cụ thể là 120 Wh kgpin-1tuy nhiên, không có công trình nào trước đây tuân theo các tiêu chuẩn tối thiểu cần thiết cho pin thương mại này ”.
Trong bài báo của họ, Lee và các đồng nghiệp của ông đã giới thiệu các tế bào túi khí kẽm linh hoạt một ampe giờ (Ah) có thể khả thi về mặt thương mại, vì chúng thể hiện mật độ năng lượng ở cấp độ tế bào cực cao (460 Wh kgpin-1 và 1389 Wh l-1) ở một loạt nhiệt độ (-20 đến 80 oC), với công suất tốc độ cao 5-200 mA cm-2 hơn 6000 chu kỳ cho 20% DOD và 1100 chu kỳ cho 70% DOD. Các tế bào túi này hoạt động tốt hơn nhiều loại pin Li-ion bán sẵn trên thị trường và các loại pin thông dụng khác.
“Các tế bào túi của chúng tôi cho thấy mật độ năng lượng cấp tế bào cao nhất là 523 ± 15 Wh kgpin-1 (mật độ năng lượng thể tích ~ 1609 ± 35 Wh l-1) trong 350 chu kỳ với 70% DOD ở mật độ dòng điện 25 mA cm-2 bằng cách tối ưu hóa các thông số ô, ”Lee nói. “Chúng tôi cũng chỉ ra rằng mật độ năng lượng thể tích có thể được tăng thêm đến ~ 1800 Wh L-1 với dung lượng tế bào túi ~ 20 Ah bằng cách áp dụng xếp chồng lưỡng cực công nghệ (tăng số lượng ngăn xếp). Những giá trị này cho phép phạm vi lái xe ~800-900 dặm mỗi lần sạc, khả năng sạc 100% trong vòng 15 phút và độ bền quãng đường đi được là ~1 triệu dặm.”
Sau khi chúng được thử nghiệm thêm, các tế bào túi khí kẽm mới có thể được sản xuất trên quy mô lớn. Theo Lee và các đồng nghiệp của mình, chúng cũng có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy bay không người lái, xe điện hoặc máy bay đường ngắn chạy điện.
“Hiện chúng tôi đang đơn giản hóa các công thức tổng hợp cho CPS (cực âm không khí) và CBC (chất điện phân rắn) để mở rộng quy mô sản xuất xứng đáng,” Lee nói thêm. “Mặc dù ZAB của chúng tôi thường hoạt động ở -20 đến 80 oC, chúng tôi cũng cố gắng làm cho phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng hơn. Ngoài ra, chúng tôi sẽ xem xét sử dụng nhôm thay vì kẽm, để đánh giá tiềm năng của nhôm-air ắc quy".